TW202534036A - 綠氫暨綠電製造系統及其實施方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種綠氫暨綠電製造系統及其實施方法，係主要將製氫催化劑輸送至原料混合單元與水混合，再經第一水解反應單元將製氫催化劑及水的混合物水分解產生氫氣和氧化製氫催化劑，其中氫氣係輸送至氫能發電單元產生綠電，另氧化製氫催化劑則輸送至電光電漿分解單元重新活化、去氧後產生製氫催化劑，該氧氣係可送往氫能發電單元供應發電，藉此，本發明於系統所使用綠氫及綠電等係可於運作中不斷循環獲得，另製氫催化劑及水等原料，也可從系統中回收再利用，據此，俾獲取價格便宜的綠氫與綠電，以達到有效替代石化燃料，解決全球氣候變遷及地球暖化等效益者。

Description

綠氫暨綠電製造系統及其實施方法

本發明係涉及綠能技術領域，尤指一種綠氫暨綠電製造系統及其實施方法。

按，隨著工業與文明發展，人類大量使用煤及石油等石化燃料，並不斷砍伐樹木，不僅對環境造成污染破壞，更進一步導致溫室效應、全球氣候變遷及地球暖化等問題。

而在造成溫室效應的眾多污染源中，以二氧化碳排放最為嚴重。因此，如何使大氣中的二氧化碳濃度降低，是當前環境保護最迫切課題，但使用石化燃料會導致二氧化碳排放，故為減少二氧化碳排放必須降低對石化燃料的依靠及使用，於《巴黎氣候協定》中係擬定以發展可再生能源及綠氫為替代石化燃料的解決方案，然現有獲取綠氫方法係使用水電解來製造綠氫，但其使用電力來源為太陽能和風力發電等可再生能源，以致所生產的綠氫價格非常昂貴，而造成綠氫替代石化燃料的困難性。

緣是，本發明人有鑑於現有製造綠氫方法於使用實施上仍有上述缺失，乃藉其多年於相關領域的製造及設計經驗和知識的輔佐，並經多方巧思研創出本發明。

本發明係有關於一種綠氫暨綠電製造系統及其實施方法，其主要目的係為了提供一種可生產便宜的綠氫與綠電，以有效解決石化燃料造成的全球氣候變遷及地球暖化問題之系統及其實施方法。

為了達到上述實施目的，本發明人係研擬如下綠氫暨綠電製造系統，係設有一原料混合單元，並使該原料混合單元與一外接製氫催化劑之輸料管相連結，又使該原料混合單元與一第一水解反應單元以一輸料管相連結，另使該第一水解反應單元與一熱回收單元以一輸料管相連結，並於該第一水解反應單元設有一第一熱交換模組，且使該第一熱交換模組與該熱回收單元以一輸熱管相連結，又設有一分離單元，並使該熱回收單元與該分離單元以一輸料管相連結，另設有一電光電漿分解單元，且使該電光電漿分解單元與該分離單元以一輸料管相連結，又使該電光電漿分解單元與一第二水解反應單元以一輸料管相連結，並於該電光電漿分解單元設有一第二熱交換模組，且使該第二熱交換模組與該第二水解反應單元以一輸熱管相連結，另使該第二水解反應單元與該熱回收單元以一輸料管相連結，又設有一氫能發電單元，係使該電光電漿分解單元、該第一水解反應單元及該第二水解反應單元分別以一輸料管與該氫能發電單元相連結，另使該氫能發電單元與該第二水解反應單元以一輸水管相連結，復使該原料混合單元及該熱回收單元分別連結有一與外部水源相接之輸水管。

如上所述之綠氫暨綠電製造系統，其中，該氫能發電單元係為氫能燃料電池、氫氣內燃機或氫氣渦輪機。

如上所述之綠氫暨綠電製造系統之實施方法，其中，係將外接之製氫催化劑經輸料管輸送至該原料混合單元中，另外部水源係供給水並經輸水管輸送至該原料混合單元，以使該製氫催化劑與水於該原料混合單元內混合，再將該製氫催化劑及水的混合物經輸料管輸送至第一水解反應單元，以將該製氫催化劑及水的混合物於該第一水解反應單元進行水分解反應，產生氫氣與氧化製氫催化劑，並釋放大量氧化製氫催化劑生成時所產生熱焓，及少部分尙未完全被反應的製氫催化劑，又該熱焓係由該第一水解反應單元所設之該第一熱交換模組吸收，並經輸熱管傳送至該熱回收單元，另於該第一水解反應單元中未被反應之製氫催化劑係經輸料管送到該熱回收單元，又外部水源係供給水並經輸水管輸送至該熱回收單元，利用所匯集的熱焓及水使尚未被反應的製氫催化劑受激化而完全反應，以產生氫氣與氧化製氫催化劑，該熱回收單元與該第一水解反應單元所產生的氫氣與氧化製氫催化劑係經輸料管輸送至該分離單元，以由該分離單元分離出氣態的綠氫及固態的氧化製氫催化劑，該分離單元分離出之氧化製氫催化劑係經輸料管輸送到該電光電漿分解單元中重新活化，去氧後還原生成製氫催化劑，該還原生成的製氫催化劑係經輸料管輸送到第二水解反應單元進行水解，以產生氫氣及氧化製氫催化劑，並釋放大量氧化製氫催化劑生成時所產生的熱焓，該熱焓係經輸熱管傳送予該電光電漿分解單元所設之第二熱交換模組吸收，另該第二水解反應單元產生的氧化製氫催化劑係經輸料管輸送至該熱回收單元，以依序於該熱回收單元、該分離單元、該電光電漿分解單元及該第二水解反應單元間重複循環使用，又該電光電漿分解單元於將氧化製氫催化劑還原成製氫催化劑同時係產生氧氣，該氧氣係經輸料管輸送至該氫能發電單元，另該第一水解反應單元及第二水解反應單元所產生的氫氣係經輸料管輸送至該氫能發電單元，以與輸送至該氫能發電單元之氧氣一起產出綠電及水，復該氫能發電單元產出的水係經輸水管送至該第二水解反應單元。

如上所述之綠氫暨綠電製造系統之實施方法，其中，該電光電漿分解單元係設有一單元主體，該單元主體外部係附設有該第二熱交換模組，又於該單元主體內依序設有一人造閃電模組、一電光電漿分解模組、一能量保留重整調節模組及一分離淨化模組，當氧化製氫催化劑進入該電光電漿分解單元後係依序經過人造閃電處理、電光電漿分解處理、能量保留重整調節處理及分離淨化處理，以將該氧化製氫催化劑去氧還原生成製氫催化劑。

如上所述之綠氫暨綠電製造系統之實施方法，其中，該製氫催化劑係為普通金屬、金屬合金及金屬氧化物其中之一或其組合。

藉此，本發明於系統所使用綠氫及綠電等係可於運作中不斷循環獲得，另製氫催化劑及水等原料，也可系統中回收再利用，據此，俾獲取價格便宜的綠氫與綠電，以達到有效替代石化燃料，解決全球氣候變遷及地球暖化效益者。

而為令本發明之技術手段及其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式及圖號：

首先，請參閱第一圖所示，為本發明之綠氫暨綠電製造系統，係主要設有一原料混合單元(1)，並使該原料混合單元(1)與一外接製氫催化劑之輸料管相連結，又使該原料混合單元(1)與一第一水解反應單元(2)以一輸料管相連結，另使該第一水解反應單元(2)與一熱回收單元(3)以一輸料管相連結，並於該第一水解反應單元(2)設有一第一熱交換模組(21)，且使該第一熱交換模組(21)與該熱回收單元(3)以一輸熱管相連結，另設有一分離單元(4)，並使該熱回收單元(3)與該分離單元(4)以一輸料管相連結，又設有一電光電漿分解單元(5)，且使該電光電漿分解單元(5)與該分離單元(4)以一輸料管相連結，另使該電光電漿分解單元(5)與一第二水解反應單元(6)以一輸料管相連結，並於該電光電漿分解單元(5)設有一第二熱交換模組(51)，且使該第二熱交換模組(51)與該第二水解反應單元(6)以一輸熱管相連結，又使該第二水解反應單元(6)與該熱回收單元(3)以一輸料管相連結，另設有一氫能發電單元(7)，係使該電光電漿分解單元(5)、該第一水解反應單元(2)及該第二水解反應單元(6)分別以一輸料管與該氫能發電單元(7)相連結，另使該氫能發電單元(7)與該第二水解反應單元(6)以一輸水管相連結，復使該原料混合單元(1)及該熱回收單元(3)分別連結有一與外部水源相接之輸水管，而該氫能發電單元(7)係包括質子交換膜燃料電池[PEMFC]、固態氧化物燃料電池[SOFC]等氫能燃料電池、氫氣內燃機或氫氣渦輪機等所有氫能源發電裝置。

於此，當本發明之綠氫暨綠電製造系統於使用實施時，係將外接之製氫催化劑經輸料管輸送至原料混合單元(1)中，該製氫催化劑係為普通金屬[Common Metals，或稱基本金屬(Base Metals)]、金屬合金及金屬氧化物其中之一或其組合，其中較佳之金屬包括銅、鐵、鋁、錫、鉛、鋅、鈉、鈣、鋰、鉀、鎳、鎂、鎵、鎘、矽、鈦 等，另較佳之金屬氧化物係包括過氧化銅[CuO₂]、三氧化二鐵[Fe₂O₃]、四氧化三鐵[Fe₃O₄]、氧化鋁[Al₂O₃]、二氧化錫[SnO₂]、二氧化鉛[PbO₂]、氧化鋅[ZnO]、氧化鈉[Na₂O]、氧化鈣[CaO]、氧化鋰[Li₂O]、氧化鉀[K₂O]、氧化鎳[Ni₂O]、氧化鎂[MgO]、氧化鎵[Ga₂O₃]、氧化鎘[CdO]、二氧化矽[SiO₂]、二氧化鈦[TiO₂]等，另外部水源係供給水，該水係為純水，並經輸水管輸送至原料混合單元(1)，以使製氫催化劑與水於該原料混合單元(1)內均勻混合，再將該製氫催化劑及水的混合物經輸料管輸送至第一水解反應單元(2)，以將該製氫催化劑及水的混合物於第一水解反應單元(2)進行水分解反應，產生氫氣與氧化製氫催化劑，並釋放大量氧化製氫催化劑生成時所產生熱焓，及少部分尙未完全被反應的製氫催化劑，又該熱焓係由第一水解反應單元(2)所設之第一熱交換模組(21)吸收，並經輸熱管傳送到熱回收單元(3)，另於第一水解反應單元(2)中未被反應之製氫催化劑係經輸料管送到熱回收單元(3)，而外部水源係供給水並經輸水管輸送至熱回收單元(3)，利用所匯集熱焓及水以使尚未被反應的製氫催化劑受激化而完全反應，以產生氫氣與氧化製氫催化劑，該熱回收單元(3)與該第一水解反應單元(2)所產生的氫氣與氧化製氫催化劑係經輸料管輸送至分離單元(4)，以由分離單元(4)分離出氣態的綠氫及固態的氧化製氫催化劑，其中該綠氫係可提供系統使用，亦可輸出系統外部進行各種應用，另該氧化製氫催化劑係經輸料管輸送到電光電漿分解單元(5)中重新活化，去氧後還原生成製氫催化劑，該還原生成的製氫催化劑係經輸料管輸送到第二水解反應單元(6)進行水解，以產生氫氣及氧化製氫催化劑，並釋放大量氧化製氫催化劑生成時所產生的熱焓[Heat of enthalpy]，該熱焓係經輸熱管傳送予電光電漿分解單元(5)所設之第二熱交換模組(51)吸收，以在電光電漿分解單元(5)中作為部分還原熱用以節省電能及用以強化氧化製氫催化劑的還原分解效率，而第二水解反應單元(6)產生的氧化製氫催化劑係經輸料管輸送至熱回收單元(3)，以依序於該熱回收單元(3)、分離單元(4)、電光電漿分解單元(5)及第二水解反應單元(6)間重複循環使用，又該電光電漿分解單元(5)於將氧化製氫催化劑還原成製氫催化劑同時係產生氧氣，該氧氣係經輸料管輸送至該氫能發電單元(7)，另該第一水解反應單元(2)及第二水解反應單元(6)所產生的氫氣係經輸料管輸送至該氫能發電單元，以與輸送至該氫能發電單元(7)之氧氣一起產出綠電及水，該氫能發電單元(7)產出的水係可經輸水管送至第二水解反應單元(6)，以添補第二水解反應單元(6)進行水解時所需用水，另氫能發電單元(7)所產出的綠電係可提供系統運作所需電力，亦可輸出系統外部進行各種應用。

藉此，本發明於系統中所使用綠氫及綠電等皆可由系統運作中自給自足不斷循環獲得，且無須使用水電解即可生產綠氫，也不需要使用太陽能和風力發電等可再生電力，故可有效節省購買綠氫與綠電的成本，又本發明於系統中所需使用的製氫催化劑及水等原料，其中製氫催化劑使用後係可通過系統重新活化不斷循環使用，另系統運作過程中會將水回收再利用，以大幅降低對外部用水的需求量，於此，利用本發明即可獲取價格便宜的綠氫與綠電，故可有效替代石化燃料，以有效解決全球氣候變遷及地球暖化問題。又本發明對綠氫與綠電的生產係具備可逆性［Reversible］及可交換性［Interchangeable］等特點，因此，可於晚上電價便宜的時段進行綠氫的製造與儲存，另於白天尖峰時段使用綠氫來生產綠電，依此彈性多元化實施方式，俾產生豐厚收入，達到進一步提升經濟效益。另本發明之系統係可按照現場需求量［On-Site and On-Demand］，當需要使用氫氣時才加水生產綠氫，且由於係使用固態製氫催化劑來生產綠氫，故可以有效解決氫氣儲存及運輸的不安全性與成本昂貴等問題。

另值得一提的是，本發明之電光電漿分解單元(5)，請一併參閱第二圖所示，本發明之電光電漿分解單元(5)係於其單元主體(52)外部附設有該第二熱交換模組(51)，另於該單元主體(52)內依序設有一人造閃電模組(53)、一電光電漿分解模組(54)、一能量保留重整調節模組(55)及一分離淨化模組(56)，當氧化製氫催化劑進入該電光電漿分解單元(5)後係依序經過人造閃電處理、電光電漿分解處理、能量保留重整調節處理及分離淨化處理，以將氧化製氫催化劑還原生成製氫催化劑，於此，利用該電光電漿分解單元(5)設置，即可不斷將氧化製氫催化劑重新活化、去氧還原生成新的製氫催化劑再使用。

前述之實施例或圖式並非限定本發明之實施態樣，凡所屬技術領域中具有通常知識者所為之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

由上述結構及實施方式可知，本發明具有以下優點：

1.本發明於系統中所使用綠氫及綠電等皆可由系統運作中自給自足不斷循環獲得，無須使用水電解即可生產綠氫，也不需要使用太陽能和風力發電等可再生電力，故可有效節省購買綠氫與綠電的成本。

2.本發明於系統中所需使用的製氫催化劑及水等原料，其中製氫催化劑使用後係可通過系統重新活化不斷循環使用，另系統於運作過程中會將水回收再利用，以大幅降低對外部用水的需求量，以達到更進一步節省成本效益。

3.本發明之系統所需使用的製氫催化劑及水等原料都可於系統運作中回收再利用，故可獲取價格便宜的綠氫與綠電，其製造成本比現有可生產綠氫的方法都來得低廉，極具產業競爭優勢。

4.本發明之系統係可按照現場需求量［On-Site and On-Demand］，當需要使用氫氣時才加水生產綠氫，且由於係使用固態製氫催化劑來生產綠氫，故可以有效解決氫氣儲存及運輸不易且成本昂貴等問題。

5.本發明之系統係可獲取價格便宜的綠氫與綠電，故可有效替代石化燃料，以解決全球氣候變遷及地球暖化問題，同時可以產生豐厚收入，以利提升經濟效益。

6.本發明之系統其綠氫與綠電係具備可逆性及可交換性等特點，故可於電價便宜時段生產綠氫，另於電價昂貴時段生產綠電，依此具彈性多元化實施方式，俾更進一步提升經濟效益。

綜上所述，本發明之實施例確能達到所預期功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

1:原料混合單元

2:第一水解反應單元

21:第一熱交換模組

3:熱回收單元

4:分離單元

5:電光電漿分解單元

51:第二熱交換模組

52:單元主體

53:人造閃電模組

54:電光電漿分解模組

55:能量保留重整調節模組

56:分離淨化模組

6:第二水解反應單元

7:氫能發電單元

第一圖：本發明之綠氫暨綠電製造系統架構示意圖

第二圖：本發明之電光電漿分解單元剖視示意圖

1:原料混合單元

2:第一水解反應單元

21:第一熱交換模組

3:熱回收單元

4:分離單元

5:電光電漿分解單元

51:第二熱交換模組

6:第二水解反應單元

7:氫能發電單元

Claims (5)

1. 一種綠氫暨綠電製造系統，係設有一原料混合單元，並使該原料混合單元與一外接製氫催化劑之輸料管相連結，又使該原料混合單元與一第一水解反應單元以一輸料管相連結，另使該第一水解反應單元與一熱回收單元以一輸料管相連結，並於該第一水解反應單元設有一第一熱交換模組，且使該第一熱交換模組與該熱回收單元以一輸熱管相連結，又設有一分離單元，並使該熱回收單元與該分離單元以一輸料管相連結，另設有一電光電漿分解單元，且使該電光電漿分解單元與該分離單元以一輸料管相連結，又使該電光電漿分解單元與一第二水解反應單元以一輸料管相連結，並於該電光電漿分解單元設有一第二熱交換模組，且使該第二熱交換模組與該第二水解反應單元以一輸熱管相連結，另使該第二水解反應單元與該熱回收單元以一輸料管相連結，又設有一氫能發電單元，係使該電光電漿分解單元、該第一水解反應單元及該第二水解反應單元分別以一輸料管與該氫能發電單元相連結，另使該氫能發電單元與該第二水解反應單元以一輸水管相連結，復使該原料混合單元及該熱回收單元分別連結有一與外部水源相接之輸水管。
2. 如請求項1所述之綠氫暨綠電製造系統，其中，該氫能發電單元係為氫能燃料電池、氫氣內燃機或氫氣渦輪機。
3. 一種綠氫暨綠電製造系統之實施方法，係使用請求項1之綠氫暨綠電製造系統，係將外接之製氫催化劑經輸料管輸送至該原料混合單元中，另外部水源係供給水並經輸水管輸送至該原料混合單元，以使該製氫催化劑與水於該原料混合單元內混合，再將該製氫催化劑及水的混合物經輸料管輸送至第一水解反應單元，以將該製氫催化劑及水的混合物於該第一水解反應單元進行水分解反應，產生氫氣與氧化製氫催化劑，並釋放大量氧化製氫催化劑生成時所產生熱焓，及少部分尙未完全被反應的製氫催化劑，又該熱焓係由該第一水解反應單元所設之該第一熱交換模組吸收，並經輸熱管傳送至該熱回收單元，另於該第一水解反應單元中未被反應之製氫催化劑係經輸料管送到該熱回收單元，又外部水源係供給水並經輸水管輸送至該熱回收單元，利用所匯集的熱焓及水使尚未被反應的製氫催化劑受激化而完全反應，以產生氫氣與氧化製氫催化劑，該熱回收單元與該第一水解反應單元所產生的氫氣與氧化製氫催化劑係經輸料管輸送至該分離單元，以由該分離單元分離出氣態的綠氫及固態的氧化製氫催化劑，該分離單元分離出之氧化製氫催化劑係經輸料管輸送到該電光電漿分解單元中重新活化，去氧後還原生成製氫催化劑，該還原生成的製氫催化劑係經輸料管輸送到第二水解反應單元進行水解，以產生氫氣及氧化製氫催化劑，並釋放大量氧化製氫催化劑生成時所產生的熱焓，該熱焓係經輸熱管傳送予該電光電漿分解單元所設之第二熱交換模組吸收，另該第二水解反應單元產生的氧化製氫催化劑係經輸料管輸送至該熱回收單元，以依序於該熱回收單元、該分離單元、該電光電漿分解單元及該第二水解反應單元間重複循環使用，又該電光電漿分解單元於將氧化製氫催化劑還原成製氫催化劑同時係產生氧氣，該氧氣係經輸料管輸送至該氫能發電單元，另該第一水解反應單元及第二水解反應單元所產生的氫氣係經輸料管輸送至該氫能發電單元，以與輸送至該氫能發電單元之氧氣一起產出綠電及水，復該氫能發電單元產出的水係經輸水管送至該第二水解反應單元。
4. 如請求項3所述之綠氫暨綠電製造系統之實施方法，其中，該電光電漿分解單元係設有一單元主體，該單元主體外部係附設有該第二熱交換模組，又於該單元主體內依序設有一人造閃電模組、一電光電漿分解模組、一能量保留重整調節模組及一分離淨化模組，當氧化製氫催化劑進入該電光電漿分解單元後係依序經過人造閃電處理、電光電漿分解處理、能量保留重整調節處理及分離淨化處理，以將該氧化製氫催化劑去氧還原生成製氫催化劑。
5. 如請求項3所述之綠氫暨綠電製造系統之實施方法，其中，該製氫催化劑係為普通金屬、金屬合金及金屬氧化物其中之一或其組合。